應(yīng)用案例

Picarro G4301（便攜式溫室氣體分析儀在高海拔地區(qū)測定土壤甲烷通量）

發(fā)表時間：2023-08-07

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甲烷(CH₄)是一種強效的溫室氣體，在大氣中的濃度在一定程度上受土壤微生物生理過程的調(diào)節(jié)。

加拿大埃德蒙頓阿爾伯塔大學(xué)Leanne L. Chai等學(xué)者首次對páramo新熱帶高山區(qū) (哥斯達黎加Chirripó國家公園)的CH₄通量進行了測量，并考察了這些通量在旱季至雨季期間與地形、土壤濕度和植被的關(guān)系。

01 儀器配置情況

1. Picarro G4301 CO₂/CH₄便攜式高精度氣體分析儀

?輕量級、超便攜、低能耗（內(nèi)置可充電鋰電池，支持最長8小時連續(xù)運行）

?ppb級高精度（1σ, 5分鐘均值）： CO₂ < 0.04ppm, CH₄ <0.3ppb

2.自制呼吸室

02 實驗背景與方法

圖1. 位于哥斯達黎加Chirripó國家公園內(nèi)的Conejos研究基地。(A) 研究地點界線和五種土壤剖面的位置(a - e)。(B) 區(qū)內(nèi)共安裝了52個底座進行多次通量測量，包括6組等距底座組合，以研究 páramo 植被的鄰近優(yōu)勢對土壤通量的影響，底座位置用圓圈表示。

實驗于哥斯達黎加Chirripó國家公園的Valle de Los Conejos研究基地內(nèi)進行，樣地平均海拔3480米。

根據(jù)植被類型和地形不同劃分為四個分區(qū)：

(1)草本平原(Grassy Plain);

(2)高植平原 (Tall Chusquea Plain);

(3)矮植斜坡(Short Chusquea Slope);

(4)矮植高原(Short Chusquea Plateau)(圖1)。

區(qū)內(nèi)布置52個內(nèi)徑5cm呼吸室底座，自制呼吸室高12cm。在2018年4月7日至11日連續(xù)5天內(nèi)，每天進行兩次土壤通量測量(上午8:30至中午12:00，下午12:30至4:00)。

03 實驗數(shù)據(jù)分析

圖2.

(A)四個試驗區(qū)的甲烷通量

實驗期間獲得CH₄通量平均值為−53.1±29.6 (均值±SE)µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹(圖2)。

其中草本平原區(qū)CH4通量最大(-63.9 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹),顯著高于高植平原區(qū)(-51.2 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹) 和矮植斜坡區(qū) (-50.8 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)，而矮植高原區(qū)CH₄通量(-56.6µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)同其他區(qū)域通量差異均不顯著(圖2)。

圖3. 土壤CH4通量隨土壤0-6cm含水量的變化規(guī)律。(A)所有通量-濕度測量數(shù)據(jù)擬合圖。(B)將通量-濕度數(shù)據(jù)根據(jù)土壤含水量分為五個等級擬合圖 (如圖所示，從10到60%);雙向誤差條為標(biāo)準(zhǔn)誤差;多項式擬合描述了明顯的曲線響應(yīng);小寫字母(a-d)表示根據(jù)五個水分等級劃分的通量顯著性分析(P < 0.001)。

在高植平原地區(qū)的通量測試發(fā)現(xiàn)，Chusquea斑塊中心處通量(-101 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)要顯著高于Chusquea斑塊外側(cè)的通量值(-52 µg CH₄-C m⁻²hr⁻¹)。而在矮植斜坡區(qū)內(nèi)的矮 Chusquea植被則完全沒有這種空間差異(圖7B)。

在評估遠(yuǎn)離Chusquea植被的空間效應(yīng)時，在高Chusquea植被(圖4C)和矮Chusquea植被(圖4D)之外的最遠(yuǎn)位置發(fā)現(xiàn)了顯著的干燥土壤條件。Chusquea植物下的土壤含水量通常比周圍以草為主區(qū)域的土壤高8-9%(圖4C和4D)。

同樣地，在對離Chusquea植被中心不同距離處的氣溫、地面溫度(紅外線)和土壤溫度進行量化后，很明顯，地面溫度比空氣或土壤溫度對植被的存在更敏感。

此外，矮Chusquea植被也表現(xiàn)出同樣的定向效應(yīng)，盡管它并不顯著(圖4H)。

圖4. (A, B) 甲烷通量 (C, D)土壤體積含水量和(E, F)土壤0-6cm表層溫度、(G, H)地表紅外溫度(I, J)空氣溫度。左側(cè)為高Chusquea斑塊平坦區(qū)，右側(cè)為的矮Chusquea斑塊斜坡區(qū)。小寫字母表示分組比較是基于Kruskal-Wallis和Dunn檢驗。

結(jié)論

páramo地區(qū)CH₄通量的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一是土壤水分，而土壤水分最終受植被、地形和土壤剖面排水屬性的空間變化調(diào)節(jié)。

通過對不同土壤和植被分布的研究，揭示了沒有排水障礙的土層或有Chusquea植被覆蓋地方，與土壤濕潤、透氣少的地方相比，會更有利甲烷的吸收。

該研究是首次對新熱帶高原páramo生態(tài)系統(tǒng)中的甲烷通量進行量化研究，表明這些阿爾卑斯地貌總體上充當(dāng)了大氣中CH₄的一個重要碳匯。

這些通量數(shù)據(jù)提供了中美洲帕拉莫雨季開始時的甲烷吸收率的時空快照，雨季是該生態(tài)系統(tǒng)中生物物理和生物地球化學(xué)劇烈變化的關(guān)鍵時期。

未來的研究可以檢驗這些高山景觀中的CH₄通量在暴雨季節(jié)是如何響應(yīng)的，以及當(dāng)土壤過于濕潤時，它們是如何轉(zhuǎn)換成CH₄排放源的。

END

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